JPH10162852A - Diaphragm for redox flow battery and manufacture therefor - Google Patents

Diaphragm for redox flow battery and manufacture therefor

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JPH10162852A
JPH10162852A JP8319932A JP31993296A JPH10162852A JP H10162852 A JPH10162852 A JP H10162852A JP 8319932 A JP8319932 A JP 8319932A JP 31993296 A JP31993296 A JP 31993296A JP H10162852 A JPH10162852 A JP H10162852A
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redox flow
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monomer
membrane
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達哉 前端
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浩喜 平山
Tomonari Todoroki
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive diaphragm which has high charging- discharging efficiency and has excellent durability by using a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond introduced from an aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit on the basis of acrylonitrile, as matrix resin. SOLUTION: Resin obtained by adding hydrogen to a copolymer obtained by copolymerizing acrylonitrile and butadien, is cited as a copolymer. In this way, in the number of remaining unsaturated bonds, the iodine number is desirable to be 5 or less. It is suitable that a monomer unit on the basis of acrylonitrile is set to 20 to 50wt.% to the whole weight of a copolymer. Though molecular weight of the copolymer is not particularly limited, it is suitable to be normally set to a range of 50,000 to 500,000. In a diaphragm for a redox flow battery, a composition composed of this copolymer and an ion exchange resin is used by being stuck to a base material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は優れた耐久性を有す
るレドックスフロー電池用隔膜、特にバナジウム系レド
ックスフロー電池用隔膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a membrane for a redox flow battery having excellent durability, and more particularly to a membrane for a vanadium redox flow battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】レドックスフロー電池とは、隔膜により
正極と負極を分離した正極室および負極室を有する液透
過型の電解槽に、正極および負極の電池活物質を流通せ
しめ、酸化還元反応を利用して充放電を行うものであ
る。一般には隔膜として金属イオンの透過を防ぐ目的の
ためイオン機能を有する膜、例えばイオン交換膜が使用
されている。電池活物質には、種々の金属種の適用が考
えられているが、最近、電池活物質にバナジウムを使用
するバナジウム系レドックスフロー電池(特開昭62−
186473号公報)が提案されている。
2. Description of the Related Art In a redox flow battery, a positive electrode and a negative electrode battery active materials are passed through a liquid permeable electrolytic cell having a positive electrode chamber and a negative electrode chamber in which a positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm, and a redox reaction is utilized. To perform charging and discharging. In general, a membrane having an ion function, for example, an ion exchange membrane is used as a diaphragm for the purpose of preventing permeation of metal ions. Various kinds of metals are considered to be used as the battery active material, but recently, a vanadium-based redox flow battery using vanadium as the battery active material (Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-62).
186473) has been proposed.

【0003】この電池は、従来検討されてきた鉄/クロ
ム系のレドックスフロー電池と比較して、起電力、電池
容量などに優れており、更に極液が一金属系であるため
隔膜を介して正、負極液が相互に混合しても充電によっ
て簡単に再生することができる等の利点を有している。
[0003] This battery is excellent in electromotive force, battery capacity, and the like as compared with the iron / chromium-based redox flow battery that has been conventionally studied. Even if the positive and negative electrode solutions are mixed with each other, they have the advantage that they can be easily regenerated by charging.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】通常、イオン交換膜と
しては、イオン交換基は導入されずにマトリックスとし
て機能する樹脂(以下、単にマトリックス樹脂という)
とイオン交換性樹脂との樹脂組成物が、基材に付着され
たものが広く知られている。ここで、上記マトリックス
樹脂としては、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体
やアクリロニトリル−ブタジエン共重合体等が使用され
ている。
Generally, as an ion exchange membrane, a resin that functions as a matrix without introducing an ion exchange group (hereinafter simply referred to as a matrix resin)
It is widely known that a resin composition of a resin and an ion exchange resin is attached to a substrate. Here, as the matrix resin, for example, a styrene-butadiene copolymer, an acrylonitrile-butadiene copolymer, or the like is used.

【0005】レドックスフロー電池用隔膜として、この
ようなマトリックス樹脂を含むイオン交換膜を使用した
場合、レドックスフロー電池は酸化還元反応を利用する
ために、酸化性物質、例えば5価のバナジウムイオンや
3価の鉄イオンなどが、このイオン交換膜中のマトリッ
クス樹脂に作用して、イオン交換樹脂部分が変質し、該
イオン交換樹脂部分が部分的に基材から剥離する等の問
題が生じた。特に、5価のバナジウムイオンは酸化力が
強く、一般のイオン交換膜を隔膜に使用するには耐久性
において大きな問題を生じていた。
When an ion exchange membrane containing such a matrix resin is used as a membrane for a redox flow battery, the redox flow battery uses an oxidizing substance such as pentavalent vanadium ion or 3 Valent iron ions and the like act on the matrix resin in the ion-exchange membrane to cause a change in the ion-exchange resin portion, causing problems such as partial separation of the ion-exchange resin portion from the substrate. In particular, pentavalent vanadium ions have a strong oxidizing power and have caused a serious problem in durability when a general ion exchange membrane is used for a diaphragm.

【0006】そこで、耐酸化性を有する隔膜としてパー
フルオロ系の膜やポリスルホン系の隔膜(特開平6−1
88005号公報)等が提案されている。
Therefore, as a membrane having oxidation resistance, a perfluoro-based membrane or a polysulfone-based membrane (Japanese Patent Laid-Open No.
No. 88005).

【0007】しかしながら、上記提案の隔膜も、その要
求される全ての機能を満足させるものではなく、工業的
なレドックスフロー電池用隔膜として用いた場合に、金
属イオンの透過量が小さく、充放電効率が高く、特に耐
久性に優れ、安価な隔膜が要望されていた。
However, the membrane proposed above does not satisfy all the required functions, and when used as an industrial membrane for a redox flow battery, the amount of permeation of metal ions is small and the charge / discharge efficiency is low. In particular, there has been a demand for an inexpensive diaphragm having high durability and excellent durability.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする手段】本発明者らは、上記し
た課題に鑑み鋭意研究した結果、マトリックス樹脂とし
て、脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽
和結合を有さない単量体単位とアクリロニトリルに基づ
く単量体単位との共重合体を用いることにより、上記し
た課題が解決できることを見出し、本発明を提案するに
至った。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors have conducted intensive studies in view of the above-mentioned problems, and as a result, as a matrix resin, have substantially no unsaturated bonds derived from aliphatic hydrocarbon monomers. The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by using a copolymer of a monomer unit and a monomer unit based on acrylonitrile, and have led to the present invention.

【0009】即ち、本発明によれば、脂肪族炭化水素系
単量体から導かれる実質的に不飽和結合を有さない単量
体単位とアクリロニトリルに基づく単量体単位との共重
合体、及びイオン交換性樹脂からなる樹脂組成物が、基
材に付着されてなるイオン交換膜よりなるレドックスフ
ロー電池用隔膜が提供される。
That is, according to the present invention, a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from an aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile, And a resin composition comprising an ion exchange resin and a resin composition comprising the ion exchange membrane adhered to a substrate.

【0010】本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、
脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和結
合を有さない単量体単位とアクリロニトリルに基づく単
量体単位との共重合体を、イオン交換膜のマトリックス
樹脂として使用することが特徴である。このようにする
ことにより、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体等
の不飽和結合を有するマトリックス樹脂を存在させた隔
膜に比べて、特に耐久性に優れた隔膜が得られる。
[0010] The membrane for a redox flow battery of the present invention comprises:
Use of a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from an aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile as a matrix resin of an ion exchange membrane Is the feature. By doing so, a membrane having particularly excellent durability can be obtained as compared with a membrane in which a matrix resin having an unsaturated bond such as an acrylonitrile-butadiene copolymer is present.

【0011】本発明において、上記脂肪族炭化水素系単
量体から導かれる実質的に不飽和結合を有さない単量体
単位とアクリロニトリルに基づく単量体単位との共重合
体としては、前記各構成単位からなる公知の化合物が何
等制限されることなく使用できる。脂肪族炭化水素系単
量体としては、不飽和脂肪族炭化水素、好適には炭素数
2〜9の不飽和脂肪族炭化水素が特に制限されることな
く使用される。その場合、不飽和脂肪族炭化水素として
は、具体的には、エチレン、プロピレン、ブチレン等の
オレフィンやブタジエン、イソプレン等の共役ジオレフ
ィンを用いるのが好ましい。なお、本発明において、マ
トリックス樹脂として使用する上記共重合体は、脂肪族
炭化水素系単量体から導かれる単量体単位が、共重合体
を構成した状態において、該単量体単位中に実質的に不
飽和結合を有さないものである。従って、共重合体成分
として、上記共役ジオレフィン等の複数の不飽和結合を
有する脂肪族炭化水素系単量体を使用した場合は、共重
合後、さらに水素添加処理を施して該単量体に基づく単
位中に残存する不飽和結合を消失させる必要がある。な
お、共重合の形態としては、いわゆるA−B型のジブロ
ックタイプ、A−B−A型のトリブロックタイプ、また
はランダムタイプなどいかなるものであっても良い。ま
た、ジビニルベンゼン、メタクリル酸、アクリル酸等の
第三単量体を微量含有するものであっても良い。
In the present invention, the copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile includes Known compounds consisting of each structural unit can be used without any limitation. As the aliphatic hydrocarbon-based monomer, an unsaturated aliphatic hydrocarbon, preferably an unsaturated aliphatic hydrocarbon having 2 to 9 carbon atoms is used without any particular limitation. In this case, as the unsaturated aliphatic hydrocarbon, specifically, it is preferable to use an olefin such as ethylene, propylene or butylene, or a conjugated diolefin such as butadiene or isoprene. In the present invention, the copolymer used as the matrix resin is a monomer unit derived from an aliphatic hydrocarbon-based monomer, in a state where the copolymer constitutes the monomer unit It has substantially no unsaturated bond. Therefore, when an aliphatic hydrocarbon-based monomer having a plurality of unsaturated bonds such as the conjugated diolefin is used as a copolymer component, the copolymer is further subjected to a hydrogenation treatment after the copolymerization. It is necessary to eliminate unsaturated bonds remaining in the unit based on the formula (1). The copolymer may be in any form such as a so-called AB diblock type, an ABA triblock type, or a random type. Further, it may contain a small amount of a third monomer such as divinylbenzene, methacrylic acid, and acrylic acid.

【0012】本発明において、最も好適に使用される上
記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和
結合を有さない単量体単位とアクリロニトリルに基づく
単量体単位との共重合体としては、アクリロニトリルと
ブタジエンを共重合し、得られた共重合体をさらに水素
添加して得た樹脂が挙げられる。なお、このように不飽
和結合を有する共重合体に水素添加処理を施す場合、得
られる共重合体には若干の不飽和結合が残存しても良
い。通常、こうした残存する不飽和結合の数は、ヨウ素
価で10以下、好適には5以下であるのが好ましい。ヨ
ウ素価は、上記共重合体100gに吸収されるヨウ素の
グラム数で示される。ヨウ素価が10以上の場合、レド
ックスフロー電池溶液中に含まれる酸化力を有する化学
種、特に5価のバナジウムによる酸化反応によって劣化
される。
In the present invention, the copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer most preferably used and a monomer unit based on acrylonitrile is used. Examples of the polymer include a resin obtained by copolymerizing acrylonitrile and butadiene, and further hydrogenating the obtained copolymer. When the copolymer having an unsaturated bond is subjected to a hydrogenation treatment, some unsaturated bonds may remain in the obtained copolymer. Usually, the number of such residual unsaturated bonds is preferably 10 or less, more preferably 5 or less in iodine value. The iodine value is represented by the number of grams of iodine absorbed by 100 g of the copolymer. When the iodine value is 10 or more, the iodine value is deteriorated by an oxidation reaction with a chemical species having oxidizing power contained in the redox flow battery solution, particularly, pentavalent vanadium.

【0013】上記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる
実質的に不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニ
トリルに基づく単量体単位との共重合体において、各構
成単位の含有量は、特に制限されるものではないが、ア
クリロニトリルに基づく単量体単位が共重合体の全重量
に対して10〜60重量%、好ましくは20〜50重量
%とするのが好適である。また、共重合体の分子量は、
特に制限されるものではないが、通常、1,000〜
1,000,000好ましくは50,000〜500,
000の範囲とするのが好適である。
In the copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile, the content of each constituent unit Although it is not particularly limited, it is suitable that the monomer unit based on acrylonitrile is 10 to 60% by weight, preferably 20 to 50% by weight based on the total weight of the copolymer. The molecular weight of the copolymer is
Although not particularly limited, usually, 1,000 to
1,000,000, preferably 50,000-500,
It is preferably in the range of 000.

【0014】本発明の膜において、樹脂組成物の成分と
して、こうした脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実
質的に不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニト
リルに基づく単量体単位との共重合体がマトリックス樹
脂として使用されていることの確認は、例えば以下の方
法により行うことができる。即ち、本発明の膜をアセト
ンやテトラヒドロフラン等の有機溶媒でソックスレー抽
出等をすることにより、該樹脂を抽出し、これを赤外分
光分析等により分析することにより実施できる。上記共
重合体は、赤外分光分析で測定した場合、2850〜2
950cm-1付近、1440〜1460cm-1付近に炭
素−水素結合に由来するピークが存在し、2236cm
-1付近にニトリル基に由来するピークが存在する。その
一方で、1640cm-1付近、970cmー1付近にアル
ケンの炭素−炭素二重結合に由来するピークが実質的に
存在しない等の特徴を示す。
In the film of the present invention, as the components of the resin composition, a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from such an aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile are used. Confirmation that the copolymer with is used as a matrix resin can be performed, for example, by the following method. That is, the film of the present invention can be carried out by extracting the resin by Soxhlet extraction or the like with an organic solvent such as acetone or tetrahydrofuran, and analyzing the resin by infrared spectroscopy. The copolymer has a content of 2850 to 2 when measured by infrared spectroscopy.
A peak derived from a carbon-hydrogen bond exists around 950 cm −1 and around 1440 to 1460 cm −1 , and 2236 cm −1
A peak derived from a nitrile group exists around -1 . On the other hand, 1640 cm around -1, alkene carbon near 970cm-1 - peak attributable to carbon double bond shows a characteristic such that substantially absent.

【0015】本発明のレドックスフロー電池用隔膜で
は、上記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に
不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニトリルに
基づく単量体単位との共重合体、及びイオン交換性樹脂
からなる樹脂組成物が、基材に付着されて使用される。
このような膜は、上記構成のものであれば如何なる方法
により得られたものであっても良いが、通常は以下の方
法により得られる。即ち、イオン交換基が導入可能な官
能基またはイオン交換基を有する単量体、架橋剤、重合
開始剤および脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質
的に不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニトリ
ルに基づく単量体単位との共重合体からなる混合物を、
基材に付着して成形重合せしめた後、必要に応じてイオ
ン交換基を導入する方法である。
In the membrane for a redox flow battery of the present invention, a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile are used. A resin composition comprising a polymer and an ion-exchange resin is used by being attached to a substrate.
Such a film may be obtained by any method as long as it has the above configuration, but is usually obtained by the following method. That is, a monomer having substantially no unsaturated bond derived from a monomer having a functional group into which an ion exchange group can be introduced or an ion exchange group, a crosslinking agent, a polymerization initiator and an aliphatic hydrocarbon monomer. A mixture comprising a copolymer of monomer units and monomer units based on acrylonitrile,
This is a method in which an ion exchange group is introduced, if necessary, after adhering to a substrate and subjecting it to molding polymerization.

【0016】ここで、イオン交換基が導入可能な官能基
またはイオン交換基を有する単量体としては、従来公知
であるイオン交換膜の製造において用いられる単量体が
特に制限されずに使用される。具体的には、スチレン、
ビニルトルエン、ビニルキシレン、アセナフレン、ビニ
ルナフタレン、α−ハロゲン化スチレン等、α,β,
β’−トリハロゲン化スチレン、クロロスチレン類など
が挙げられる。特に陽イオン型レドックスフロー電池用
隔膜の場合には、α−ハロゲン化ビニルスルホン酸、
α,β,β’−ハロゲン化ビニルスルホン酸、メタクリ
ル酸、アクリル酸、スチレンスルホン酸、ビニルスルホ
ン酸、マレイン酸、イタコン酸、スチレンホスホニル
酸、無水マレイン酸、ビニルリン酸など、それらの塩
類、エステル類などが用いられる。また、陰イオン型レ
ドックスフロー電池用隔膜の場合には、ビニルピリジ
ン、メチルビニルピリジン、エチルビニルピリジン、ビ
ニルピロリドン、ビニルカルバゾール、ビニルイミダゾ
ール、アミノスチレン、アルキルアミノスチレン、ジア
ルキルアミノスチレン、トリアルキルアミノスチレン、
メチルビニルケトン、クロルメチルスチレン、アクリル
酸アミド、アクリルアミド、オキシウム、スチレン、ビ
ニルトルエン等が用いられる。
Here, as the monomer having a functional group into which an ion exchange group can be introduced or an ion exchange group, a monomer which is conventionally used in the production of an ion exchange membrane can be used without any particular limitation. You. Specifically, styrene,
Α, β, vinyltoluene, vinylxylene, acenaphrene, vinylnaphthalene, α-halogenated styrene, etc.
β'-trihalogenated styrene, chlorostyrenes and the like. Particularly in the case of a membrane for a cationic redox flow battery, α-halogenated vinyl sulfonic acid,
α, β, β′-halogenated vinyl sulfonic acid, methacrylic acid, acrylic acid, styrene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, maleic acid, itaconic acid, styrene phosphonylic acid, maleic anhydride, vinyl phosphoric acid, and their salts; Esters and the like are used. In the case of a diaphragm for an anionic redox flow battery, vinyl pyridine, methyl vinyl pyridine, ethyl vinyl pyridine, vinyl pyrrolidone, vinyl carbazole, vinyl imidazole, amino styrene, alkyl amino styrene, dialkyl amino styrene, trialkyl amino styrene ,
Methyl vinyl ketone, chloromethyl styrene, acrylamide, acrylamide, oxime, styrene, vinyltoluene and the like are used.

【0017】また、架橋剤も、従来公知であるイオン交
換膜の製造において用いられる単量体が特に制限されず
に使用される。具体的には、例えば、m−、p−、o−
ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、ク
ロロプレン、イソプレン、ジビニルナフタレン、ジアリ
ルアミン、トリアリルアミン、ジビニルピリジン類など
のジビニル化合物等やトリビニルベンゼン類等のトリビ
ニル化合物が挙げられる。
As the cross-linking agent, a conventionally known monomer used in the production of an ion exchange membrane is used without any particular limitation. Specifically, for example, m-, p-, o-
Examples thereof include divinyl compounds such as divinylbenzene, divinylsulfone, butadiene, chloroprene, isoprene, divinylnaphthalene, diallylamine, triallylamine, and divinylpyridines, and trivinyl compounds such as trivinylbenzenes.

【0018】さらに、重合開始剤も、従来公知の重合開
始剤が特に制限されずに使用され、用いる基材、成形条
件にあわせて適宜選択すれば良い。例えば、ベンゾイル
パーオキサイド、2,4−ジクロロベンゾイルパーオキ
サイド、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキ
サノエート、ラウリルパーオキサイド、ステアリルパー
オキサイド、メチルイソブチルケトンパーオキサイド、
シクロヘキサンパーオキサイド、o−メチルベンゾイル
パーオキサイド、2,4,4−トリメチルペンチルパー
オキシ−フェノキシアセテート、α−クミルパーオキシ
ネオデカノエート、ジ−tert−ブチルパーオキシ−
ヘキサハイドロテレフタレート、tert−ブチルパー
オキシベンゾエート、ジイソプロピルベンゼンヒドロパ
ーオキサイド、ジ−tert−ブチルパーオキサイド、
1,1−ビス−tert−ブチルパーオキシ−3,3,
5−トリメチルシクロヘキサン等が用いられる。
Further, as the polymerization initiator, a conventionally known polymerization initiator is used without any particular limitation, and may be appropriately selected according to the base material used and the molding conditions. For example, benzoyl peroxide, 2,4-dichlorobenzoyl peroxide, tert-butylperoxy-2-ethylhexanoate, lauryl peroxide, stearyl peroxide, methyl isobutyl ketone peroxide,
Cyclohexane peroxide, o-methylbenzoyl peroxide, 2,4,4-trimethylpentylperoxy-phenoxyacetate, α-cumylperoxy neodecanoate, di-tert-butylperoxy-
Hexahydroterephthalate, tert-butylperoxybenzoate, diisopropylbenzene hydroperoxide, di-tert-butylperoxide,
1,1-bis-tert-butylperoxy-3,3
5-trimethylcyclohexane or the like is used.

【0019】なお、本発明において、上記したイオン交
換基が導入可能な官能基またはイオン交換基を有する単
量体、架橋剤、重合開始剤および前記マトリックス樹脂
の混合物には、必要に応じて上記イオン交換基が導入可
能な官能基を有する単量体および架橋剤と共重合可能な
単量体として、例えば、スチレン、アクリロニトリル、
エチルスチレン、ビニルクロライド、アクロレイン、メ
チルビニルケトン、無水マレイン酸、その塩またはエス
テル類、イタコン酸、その塩またはエステル類などを適
宜混合しても良い。また、ジオクチルフタレート、ジブ
チルフタレート、リン酸トリブチル、アセチルクエン酸
トリブチルあるいは脂肪族酸、芳香族酸のアルコールエ
ステル等の可塑剤、されには単量体を希釈するための溶
媒等を適宜添加しても良い。
In the present invention, the above-mentioned mixture of a monomer having a functional group into which an ion-exchange group can be introduced or an ion-exchange group, a crosslinking agent, a polymerization initiator and the matrix resin may be added as necessary. As a monomer having a functional group capable of introducing an ion exchange group and a monomer copolymerizable with a crosslinking agent, for example, styrene, acrylonitrile,
Ethyl styrene, vinyl chloride, acrolein, methyl vinyl ketone, maleic anhydride, salts or esters thereof, itaconic acid, salts or esters thereof, and the like may be appropriately mixed. In addition, a plasticizer such as dioctyl phthalate, dibutyl phthalate, tributyl phosphate, tributyl acetyl citrate or an aliphatic acid or an alcohol ester of an aromatic acid, and a solvent for diluting the monomer are appropriately added thereto. Is also good.

【0020】本発明において、上記した各成分の配合割
合は、特に制限されるものではないが、一般には、イオ
ン交換基が導入可能な官能基またはイオン交換基を有す
る単量体100重量部に対して、架橋剤を1〜100重
量部、前記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的
に不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニトリル
に基づく単量体単位との共重合体を2〜200重量部の
範囲で、また、重合開始剤を全単量体量100重量%に
対して0.1〜30重量部の範囲で配合するのが好まし
い。
In the present invention, the mixing ratio of each of the above-mentioned components is not particularly limited, but generally, it is based on 100 parts by weight of a functional group into which an ion exchange group can be introduced or a monomer having an ion exchange group. On the other hand, 1 to 100 parts by weight of a crosslinking agent, copolymerization of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile It is preferable to blend the coalescing in the range of 2 to 200 parts by weight and the polymerization initiator in the range of 0.1 to 30 parts by weight based on 100% by weight of the total monomers.

【0021】以上により得られる単量体混合物は、基材
に付着され重合される。ここで、該基材としては、従来
イオン交換膜の基材として用いられているポリ塩化ビニ
ル、ポリオレフィン等を素材樹脂とするものが何等制限
されることなく使用される。形状としては、織布、不織
布、網、あるいはそれらの多孔性シート等も制限なく用
いられる。
The monomer mixture obtained as described above is adhered to a substrate and polymerized. Here, as the base material, those which use polyvinyl chloride, polyolefin or the like as a material resin, which has been conventionally used as a base material for an ion exchange membrane, are used without any limitation. As a shape, a woven fabric, a nonwoven fabric, a net, or a porous sheet thereof can be used without limitation.

【0022】これらの基材の厚さは、特に制限されるも
のではないが10〜200μmの範囲、特に50〜12
0μmのものが好適である。
The thickness of these substrates is not particularly limited, but is in the range of 10 to 200 μm, especially 50 to 12 μm.
Those having a thickness of 0 μm are preferred.

【0023】単量体混合物を上記したような基材に付着
した後、重合する際には、一般に常温から加圧下で昇温
されるが、その昇温速度は特に制限されるものではなく
適宜選択すれば良い。こうした重合条件は、関与する重
合開始剤の種類、単量体混合液の組成、基材の種類によ
っても左右されるものであり、一概に決めることはでき
ないが最適なレドックスフロー電池用隔膜の性能を考慮
して適宜選択すれば良い。なお、このペースト状物を基
材に付着する方法は、例えば塗布または含浸、浸漬等の
公知の方法を適宜採択すれば良い。
When the monomer mixture is adhered to the above-described base material and then polymerized, the temperature is generally raised from normal temperature under pressure, but the rate of temperature rise is not particularly limited and may be appropriately determined. Just choose. These polymerization conditions also depend on the type of polymerization initiator involved, the composition of the monomer mixture, and the type of base material, and cannot be determined unequivocally, but are optimal for the performance of a redox flow battery diaphragm. May be appropriately selected in consideration of the above. In addition, as a method of attaching the paste-like material to the base material, a known method such as coating, impregnation, or dipping may be appropriately adopted.

【0024】以上により重合されて得られる膜状高分子
体は、必要に応じてこれを、公知の例えばスルホン化、
クロロスルホン化、クロロメチル化およびアミノ化、第
4級アンモニウム塩基化、第4級ピリジニウム塩基化、
ホスホニウム化、スルホニウム化、加水分解、プロトネ
ーション等の処理により所望のイオン交換基を導入し
て、レドックスフロー電池用隔膜とすることができる。
これらのイオン交換基の導入量は特に制限されないが、
通常、イオン交換容量が1〜20mmol/g−乾燥
膜、好ましくは2〜6mmol/g−乾燥膜の範囲であ
るのが好適である。また、イオン交換膜の厚さは、所望
の充放電効率、電気抵抗、機械的強度、耐久性等にも関
係するが、一般には10〜200μm好ましくは50〜
120μmの範囲であるのが好適である。
The film-like polymer obtained by the above polymerization may be used, if necessary, by subjecting it to a known method such as sulfonation.
Chlorosulfonation, chloromethylation and amination, quaternary ammonium basification, quaternary pyridinium basification,
A desired ion-exchange group can be introduced by a treatment such as phosphonium conversion, sulfonium conversion, hydrolysis, and protonation to obtain a membrane for a redox flow battery.
The introduction amount of these ion exchange groups is not particularly limited,
Usually, it is suitable that the ion exchange capacity is in the range of 1 to 20 mmol / g-dry membrane, preferably 2 to 6 mmol / g-dry membrane. Further, the thickness of the ion exchange membrane is related to desired charge / discharge efficiency, electric resistance, mechanical strength, durability, and the like, but is generally 10 to 200 μm, preferably 50 to 200 μm.
Preferably, it is in the range of 120 μm.

【0025】本発明において、上記により得られるイオ
ン交換膜は、レドックスフロー電池用隔膜として使用さ
れる。ここで言うレドックスフロー電池とは、隔膜によ
り正極と負極を分離した正極室および負極室を有する液
透過型の電解槽に、正極および負極の電池活物質を流通
せしめ、酸化還元反応を利用して充放電を行うものであ
る。電池活物質の組み合わせとしては、鉄/クロム系、
バナジウム/バナジウム系、クロム/臭素系、バナジウ
ム/チタン系、バナジウム/鉄、亜鉛/鉄系などが考え
られている。特に本発明のレドックスフロー電池用隔膜
は、バナジウムを含む電池系で耐久性に優れている。
In the present invention, the ion exchange membrane obtained as described above is used as a membrane for a redox flow battery. The term “redox flow battery” used here refers to a method in which a battery active material of a positive electrode and a negative electrode is passed through a liquid-permeable electrolytic cell having a positive electrode chamber and a negative electrode chamber in which a positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm, and utilizing an oxidation-reduction reaction. It performs charging and discharging. Battery active material combinations include iron / chromium,
Vanadium / vanadium-based, chromium / bromine-based, vanadium / titanium-based, vanadium / iron, zinc / iron-based and the like are considered. In particular, the membrane for redox flow batteries of the present invention is a battery system containing vanadium and has excellent durability.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明のレドックスフロー電池用隔膜
は、膜を構成するマトリックス樹脂として、アクリロニ
トリルに基づく単量体単位と特定の脂肪族炭化水素系単
位との共重合体を用いることにより、従来の充放電効率
を落とすことなく極めて優れた耐久性を付与することが
できる。
The membrane for a redox flow battery according to the present invention can be prepared by using a copolymer of a monomer unit based on acrylonitrile and a specific aliphatic hydrocarbon-based unit as a matrix resin constituting the membrane. Extremely excellent durability can be imparted without lowering the charge / discharge efficiency.

【0027】[0027]

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を示す
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
EXAMPLES Examples of the present invention and comparative examples are shown below, but the present invention is not limited to these examples.

【0028】実施例1 4ビニルピリジン100重量部、架橋剤として純度約5
7%のジビニルベンゼン5重量部、重合開始剤としてベ
ンゾイルパーオキサイド2重量部、マトリックス樹脂と
してヨウ素価が4である水素添加したアクリロニトリル
−ブタジエン共重合体20重量部を混合して得たペース
ト状混合物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエス
テルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で6時
間加熱重合を行った。
Example 1 100 parts by weight of 4-vinylpyridine, about 5 in purity as a crosslinking agent
Paste mixture obtained by mixing 5 parts by weight of 7% divinylbenzene, 2 parts by weight of benzoyl peroxide as a polymerization initiator, and 20 parts by weight of a hydrogenated acrylonitrile-butadiene copolymer having an iodine value of 4 as a matrix resin. Was coated on a polyvinyl chloride woven fabric, and covered with a polyester film as a release material, followed by heat polymerization at 75 ° C. for 6 hours.

【0029】次いで、得られた膜状高分子体を40重量
%ヨウ化メチルのヘキサン溶液を用いて、30℃、24
時間のメチル化を行い、厚さ100μm、交換容量3.
5mmol/g−乾燥膜の陰イオン型レドックスフロー
電池用隔膜を得た。このレドックスフロー用隔膜を、テ
トラヒドロフランを溶剤として、40℃、3日間ソック
スレー抽出を行い、得られた抽出物を赤外分光法を用い
て分析を行った。その結果、2850〜2950cm-1
付近、1440〜1460cm-1付近に炭素−水素結合
に由来するピークが存在し、2236cm-1付近にニト
リル基に由来するピークが存在し、一方で、1640c
-1付近、970cmー1付近には、アルケンの炭素−炭
素二重結合に由来するピークが実質的に認められなかっ
た。
Next, the obtained film-form polymer was treated with a 40% by weight methyl iodide solution in hexane at 30 ° C. for 24 hours.
2. Time methylation, thickness 100 μm, exchange capacity 3.
A 5 mmol / g-dry membrane for an anionic redox flow battery was obtained. This redox flow diaphragm was subjected to Soxhlet extraction at 40 ° C. for 3 days using tetrahydrofuran as a solvent, and the obtained extract was analyzed by infrared spectroscopy. As a result, 2850-2950 cm -1
Near, carbon vicinity 1440~1460cm -1 - there is a peak derived from hydrogen bonding, there is a peak derived from the nitrile group near 2236cm -1, on the one hand, 1640C
In the vicinity of m -1 and 970 cm -1 , substantially no peak derived from the carbon-carbon double bond of the alkene was observed.

【0030】次に、得られたレドックスフロー電池用隔
膜を、正極液として2mol/lのVOSO4+2mo
l/l硫酸混合溶液を、負極液として2mol/lのV
2(SO43+2mol/l硫酸混合溶液を用いて、電
流密度60mA/cm2で充放電を行い、充放電効率を
求めた。その結果を表1に示した。更に、耐久性を調べ
るために加速試験として60℃の1mol/lの5価バ
ナジウム硫酸溶液に3ヶ月浸漬した。浸漬膜はブランク
膜と比較して形状をに変化はなかった。そして該浸漬膜
の充放電効率を測定した結果も表1に示した。
Next, the obtained membrane for redox flow batteries was used as a positive electrode solution at 2 mol / l of VOSO 4 +2 mo.
1 / l sulfuric acid mixed solution was used as a negative electrode solution at 2 mol / l of V
Charge / discharge was performed at a current density of 60 mA / cm 2 using a mixed solution of 2 (SO 4 ) 3 +2 mol / l sulfuric acid, and the charge / discharge efficiency was determined. The results are shown in Table 1. Furthermore, in order to examine the durability, as an accelerated test, it was immersed in a 1 mol / l pentavalent vanadium sulfate solution at 60 ° C. for 3 months. The immersion film did not change its shape as compared with the blank film. Table 1 also shows the results of measuring the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0031】比較例1 マトリックス樹脂としてヨウ素価が250である水素添
加していないアクリロニトリル−ブタジエン共重合体を
使用する以外は実施例1と同じ条件で、イオン交換容量
3.5mmol/g−乾燥膜、膜厚100μmの陰イオ
ン型レドックスフロー電池用隔膜を得た。
Comparative Example 1 An ion exchange capacity of 3.5 mmol / g-dry membrane was obtained under the same conditions as in Example 1 except that an unhydrogenated acrylonitrile-butadiene copolymer having an iodine value of 250 was used as a matrix resin. Thus, a membrane for an anionic redox flow battery having a thickness of 100 μm was obtained.

【0032】実施例1と同様な条件でソックスレー抽出
を行い、抽出物の赤外分光分析を行ったところ、285
0〜2950cm-1付近、1440〜1460cm-1
近に炭素−水素結合に由来するピークが存在し、223
6cm-1付近にニトリル基に由来するピークが存在し、
さらに、1640cm-1付近、970cmー1付近には、
アルケンの炭素−炭素二重結合に由来するピークが存在
していた。
The Soxhlet extraction was performed under the same conditions as in Example 1, and the extract was subjected to infrared spectroscopy.
A peak derived from a carbon-hydrogen bond exists around 0-2950 cm -1 and around 1440-1460 cm -1 , and 223
A peak derived from a nitrile group exists around 6 cm −1 ,
Furthermore, 1640 cm around -1, in the vicinity of 970cm-1,
There was a peak due to the alkene carbon-carbon double bond.

【0033】この膜も実施例1と同じ条件で充放電効率
を測定した。その結果を表1に示した。また、耐久性を
調べるために、実施例1と同じ条件で浸漬した結果、樹
脂成分が一部剥離していた。該浸漬膜の充放電効率も表
1に示した。
The charge and discharge efficiency of this film was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Further, as a result of immersion under the same conditions as in Example 1 in order to examine the durability, the resin component was partially peeled off. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0034】実施例2 スチレン100重量部、ジビニルベンゼン3重量部、ア
クリロニトリル20重量部、ジブチルフタレート20重
量部、ベンゾイルパーオキサイド2重量部、そしてマト
リックス樹脂としてヨウ素価が4である水素添加したア
クリロニトリルーブタジエン共重合体15重量部を混合
して得たペースト状混合物をポリ塩化ビニルの布に塗布
し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、
100℃で5時間加熱重合を行った。
Example 2 100 parts by weight of styrene, 3 parts by weight of divinylbenzene, 20 parts by weight of acrylonitrile, 20 parts by weight of dibutyl phthalate, 2 parts by weight of benzoyl peroxide, and hydrogenated acrylonitrile having an iodine value of 4 as a matrix resin A paste-like mixture obtained by mixing 15 parts by weight of a butadiene copolymer is applied to a polyvinyl chloride cloth, and a polyester film is coated as a release material.
Heat polymerization was performed at 100 ° C. for 5 hours.

【0035】次いで、得られた膜状高分子体を98%濃
硫酸と純度90%以上のクロルスルホン酸の1:1の混
合物中に60分間、40℃で浸漬して、厚さ100μ
m、交換容量3.1mmol/g−乾燥膜の陽イオン型
レドックスフロー電池用隔膜を得た。このレドックスフ
ロー電池用隔膜を、テトラヒドロフランを溶剤として、
40℃、3日間ソックスレー抽出を行い、得られた抽出
物を赤外分光法を用いて分析を行った。その結果、28
50〜2950cm-1付近、1440〜1460cm-1
付近に炭素−水素結合に由来するピークが存在し、22
36cm-1付近にニトリル基に由来するピークが存在
し、一方で、1640cm-1付近、970cmー1付近に
は、アルケンの炭素−炭素二重結合に由来するピークが
実質的に認められなかった。
Next, the obtained film-like polymer was immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more for 60 minutes at 40 ° C. to obtain a film having a thickness of 100 μm.
m, an exchange capacity of 3.1 mmol / g-a dry membrane for a cation-type redox flow battery was obtained. This membrane for redox flow batteries, using tetrahydrofuran as a solvent,
Soxhlet extraction was performed at 40 ° C. for 3 days, and the obtained extract was analyzed using infrared spectroscopy. As a result, 28
Around 50-2950 cm -1 , 1440-1460 cm -1
In the vicinity, a peak derived from a carbon-hydrogen bond exists, and 22
There is a peak derived from the nitrile group near 36cm -1, on the one hand, 1640 cm around -1, in the vicinity of 970cm-1, alkene carbon - peak attributable to carbon double bond was not substantially observed .

【0036】次に、得られたレドックスフロー電池用隔
膜の充放電効率を実施例1と同じ条件で測定し、その結
果を表1に示した。更に、耐久性を調べるために60℃
の0.2mol/lの5価バナジウム硫酸溶液に1ヶ月
間浸漬を行った。1ヶ月後においても、浸漬膜自体に何
等変化は認められなかった。該浸漬膜の充放電効率も表
1に示した。
Next, the charge / discharge efficiency of the obtained membrane for a redox flow battery was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Furthermore, to check the durability,
Was immersed in a 0.2 mol / l pentavalent vanadium sulfate solution for 1 month. Even after one month, no change was observed in the immersion film itself. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0037】比較例2 マトリックス樹脂としてヨウ素価が250である水素添
加していないアクリロニトリル−ブタジエン共重合体で
ある以外は実施例2と同じ条件で、厚さ100μm,交
換容量3.1mmol/g−乾燥膜のレドックスフロー
電池用隔膜を得た。この膜も実施例1と同じ条件で充放
電効率を測定した。その結果を表1に示した。また、耐
久性を調べるために、実施例2と同じ条件で浸漬した結
果、樹脂成分が一部剥離していた。該浸漬膜の充放電効
率も表1に示した。
Comparative Example 2 The same conditions as in Example 2 were used except that the matrix resin was an unhydrogenated acrylonitrile-butadiene copolymer having an iodine value of 250, and a thickness of 100 μm and an exchange capacity of 3.1 mmol / g-. A dry membrane for a redox flow battery was obtained. The charge and discharge efficiency of this film was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Further, as a result of immersion under the same conditions as in Example 2 in order to check the durability, the resin component was partially peeled off. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0038】実施例3 2ビニルピリジン50重量部、4ビニルピリジン50重
量部、架橋剤として純度約57%のジビニルベンゼン1
0重量部、重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイド
2重量部、マトリックス樹脂としてヨウ素価が4である
水素添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体2
0重量部を混合して得たペースト状混合物をポリ塩化ビ
ニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材と
して被覆した後、75℃で6時間加熱重合を行った。
Example 3 50 parts by weight of 2-vinylpyridine, 50 parts by weight of 4-vinylpyridine, divinylbenzene 1 having a purity of about 57% as a crosslinking agent
0 parts by weight, 2 parts by weight of benzoyl peroxide as a polymerization initiator, and hydrogenated acrylonitrile-butadiene copolymer 2 having an iodine value of 4 as a matrix resin
The paste-like mixture obtained by mixing 0 parts by weight was applied to a polyvinyl chloride woven fabric, coated with a polyester film as a release material, and then subjected to heat polymerization at 75 ° C. for 6 hours.

【0039】次いで、得られた膜状高分子体をヨウ化メ
チル40重量%のヘキサン溶液を用いて、30℃、24
時間のメチル化を行い、厚さ100μm、交換容量3.
0mmol/g−乾燥膜の陰イオン型レドックスフロー
電池用隔膜を得た。このレドックスフロー電池用隔膜
を、テトラヒドロフランを溶剤として、40℃、3日間
ソックスレー抽出を行い、得られた抽出物を赤外分光法
を用いて分析を行った。その結果、2850〜2950
cm-1付近、1440〜1460cm-1付近に炭素−水
素結合に由来するピークが存在し、2236cm-1付近
にニトリル基に由来するピークが存在し、一方で、16
40cm-1付近、970cmー1付近には、アルケンの炭
素−炭素二重結合に由来するピークが実質的に認められ
なかった。
Next, the obtained film-like polymer was treated with a hexane solution containing 40% by weight of methyl iodide at 30 ° C. for 24 hours.
2. Time methylation, thickness 100 μm, exchange capacity 3.
A 0 mmol / g-dry membrane for an anionic redox flow battery was obtained. This redox flow battery membrane was subjected to Soxhlet extraction at 40 ° C. for 3 days using tetrahydrofuran as a solvent, and the obtained extract was analyzed by infrared spectroscopy. As a result, 2850-2950
around cm -1, the carbon vicinity 1440~1460cm -1 - there is a peak derived from hydrogen bonding, there is a peak derived from the nitrile group near 2236cm -1, on the one hand, 16
Near 40 cm -1 and 970 cm -1 , substantially no peak derived from the carbon-carbon double bond of the alkene was observed.

【0040】このレドックスフロー電池用隔膜を、実施
例1と同じ条件で充放電を行い、充放電効率を求めた。
結果を表1に示した。更に、耐久性を調べるために実施
例1と同じ条件で3ヶ月浸漬した。浸漬膜はブランク膜
と比較して形状をに変化はなかった。そして充放電効率
を測定した結果も表1に示した。
The membrane for redox flow batteries was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the charging and discharging efficiency was determined.
The results are shown in Table 1. Furthermore, in order to examine the durability, it was immersed for 3 months under the same conditions as in Example 1. The immersion film did not change its shape as compared with the blank film. Table 1 also shows the results of measuring the charging and discharging efficiency.

【0041】比較例3 マトリックス樹脂としてヨウ素価が250である水素添
加していないアクリロニトリル−ブタジエン共重合体で
ある以外は実施例3と同じ条件で、厚さ100μm、交
換容量3.0mmol/g−乾燥膜のレドックスフロー
電池用隔膜を得た。この膜も実施例1と同じ条件で充放
電効率を測定した。その結果を、表1に示した。また耐
久性を調べるために、実施例1と同じ条件で浸漬した結
果、樹脂成分が一部剥離していた。該浸漬膜の充放電効
率も表1に示した。
Comparative Example 3 The same conditions as in Example 3 were used except that the matrix resin was an unhydrogenated acrylonitrile-butadiene copolymer having an iodine value of 250, and a thickness of 100 μm and an exchange capacity of 3.0 mmol / g-. A dry membrane for a redox flow battery was obtained. The charge and discharge efficiency of this film was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. As a result of immersion under the same conditions as in Example 1 to check the durability, the resin component was partially peeled off. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質
的に不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニトリ
ルに基づく単量体単位との共重合体、及びイオン交換性
樹脂からなる樹脂組成物が、基材に付着されてなるイオ
ン交換膜よりなるレドックスフロー電池用隔膜。
1. A copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from an aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile, and an ion-exchange resin. A membrane for a redox flow battery, comprising an ion exchange membrane having a resin composition adhered to a substrate.
【請求項2】レドックスフロー電池がバナジウム系レド
ックスフロー電池であることを特徴とする請求項1に記
載のレドックスフロー電池用隔膜。
2. The redox flow battery according to claim 1, wherein the redox flow battery is a vanadium-based redox flow battery.
【請求項3】イオン交換基が導入可能な官能基またはイ
オン交換基を有する単量体、架橋剤、重合開始剤および
脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和結
合を有さない単量体単位とアクリロニトリルに基づく単
量体単位との共重合体からなる混合物を、基材に付着し
て成形重合せしめた後、必要に応じてイオン交換基を導
入することを特徴とする請求項1記載のレドックスフロ
ー電池用隔膜の製造方法。
3. It has a substantially unsaturated bond derived from a functional group into which an ion exchange group can be introduced or a monomer having an ion exchange group, a crosslinking agent, a polymerization initiator, and an aliphatic hydrocarbon monomer. A mixture comprising a monomer unit and a copolymer of a monomer unit based on acrylonitrile, which is adhered to a substrate and molded and polymerized, and then ion-exchange groups are introduced as necessary. The method for producing a membrane for a redox flow battery according to claim 1.
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